Европа извън Земята – 2: ATV

В този запис ще напиша малко общи неща за ATV. Подробностите по техниката ще оставя за някой следващ.

Решението за разработването му е взето през 1995 г. Основният мотив е необходимостта разходите на ЕС по създаването на Международната космическа станция да бъдат покривани някак. Възможностите са две – или като ЕС поеме част от поддръжката по строежа и снабдяването на станциите, или като плати за това на американците или руснаците. Хитрите европейци избрали първия вариант – при него парите отиват в компаниите, които ще разработят и построят системите за поддръжка и снабдяване, а те ще са европейски. 🙂 (И вероятно и с другата идея – че създаденото от тях ще остане, и ще е база… Като си помисля как постъпват в подобни ситуации нашичките политици, просто ми се плаче. Примерно как Никито Василев потроши 70 милиона грешни пари за лицензи от Майкрософт…)

Разработката е започната през 1998 г. от екип, воден от Astrium Space Transportation. Използвани са много вече готови елементи и модули от други проекти; дизайнът е много модулен, и както често е с космическите кораби, изумително изобретателен. (Подробности – в следващ запис.) До момента е поръчано строителството на общо 5 кораба ATV; възможно е за в бъдеще да бъдат поръчани и още. Планира се да бъдат изстрелвани през приблизително 17-месечен интервал.

ATV се очаква да изиграе изключително важна роля в поддръжката на МКС. Със скачването към нея на модулите “Колумбус” и “Кибо” се очаква постоянният й екипаж да нарасне през 2009 г. до 6 души. В същото време обаче, през 2010 г. е планирано совалките да бъдат “пенсионирани”, а новият американски космически кораб “Орион” ще е готов най-рано през 2015 г. Това превръща руския “Союз” в единствения кораб, способен да превозва хора до и от МКС. И докато за хората той може да поеме обслужването (с известно зачестяване на мисиите и известни ограничения), снабдяването на станцията с материали, продукти, въздух, гориво и всичко друго се очаква да страда сериозно – руският “Прогрес” носи по-малко от 3 тона товар, а това далеч не е достатъчно. На помощ би могъл да се включи и японският HTV, чийто дебют се очаква да е през 2009 г., но той е нехерметичен и не разполага със скачващ възел – превозът на много видове товари с него би бил много труден, а на някои направо невъзможен. Тази дупка се очаква да бъде запълнена от ATV.

Общите данни на ATV вече са достатъчно популярни, но ще ги припомня накратко:

Максималното брутно тегло на кораба е 21 тона. В тях влизат до 7.4 (по други данни – до 7.7; тук може да има и допълнителна бъркотия, защото не съм открил данни колко е стандартното количество пропелант за кораба, и колко е допълнително и се води към масата на товара) тона полезен товар, който да бъде доставен на Международната космическа станция. Три пъти по-голям от руския товарен кораб “Прогрес” (тегло около 7 тона), той носи и около 3 пъти повече товар. (Обикновено при по-големите кораби съотношението е по-добро, така че на пръв поглед европейските инженери са се справили по-зле; причината обаче е, че за разлика от “Прогрес”, ATV е мислен и за много други неща. Може би ще спомена някои в някой запис. 🙂 )

Корабът се наблюдава непрекъснато и управлява от Център за управление, разположен в Тулуза, Франция. За поддържане на връзката с него са създадени две нови телеметрични станции в добавка към съществуващите за телеметриране на извеждани спътници: една на Азорските острови и една на кораб, който плава в Атлантика.

Формата на кораба е цилиндрична, дължината му е 10.3 метра, максималната ширина – 4.5 метра; това са приблизителните размери на двуетажен лондонски автобус. В предния му край е скачващият възел. В задния са основните ракетни двигатели. Отстрани, близо до задния край, са четирите слънчеви панела и управляващите двигатели.

Товарният отсек на ATV е херметизиран, и съдържа по същество земен въздух, под нормално налягане, подобно на МКС. (Ако някой се чуди защо уточнявам това – първите американски станции, примерно серията Скайлаб, бяха пълни с чист кислород под налягане около 260 милибара: парциално налягане на кислорода както в земната атмосфера при равнище, близко до морското. Това намаляваше изискванията за здравина на стените, и така олекотяваше структурата им; също така, азотът във въздуха при сблъскване с космическите лъчи от слънчевия вятър става източник на опасно вторично излъчване. С времето обаче се прие орбитите на станциите да са ниски, и да минават под магнитосферните пръстени, за да избягнат високоенергийни заредени частици от слънчевия вятър; пак с цел радиационна защита се сметна за оправдано стените да се удебелят, и така нормалният земен въздух стана предпочитана опция.) Обемът на херметичната част на товарния отсек е 48 куб. м.

След извеждането си на кръгова орбита на височина около 260 км, ATV разтваря слънчевите си панели и тества системите си. После се издига със собствена тяга на по-висока орбита, докато не се изравни с МКС, на височина около 345 км. След това започва скачването.

На всеки етап ATV може да бъде “паркиран” в космоса за известно време, и да изчака. (Точно това ще направи първият ATV. Изведен на орбита на 9 март, той ще изчака на орбита на височина 303 км. мисията на совалката “Индевър”, която бе изстреляна на 13 март, и ще остане на орбита 16 дни. Едва след кацането й ще се пристъпи към скачването на кораба.) Тъй като няма екипаж, единственото, което ограничава продължителността на “паркирането” са трайността на товара и постепенната загуба на височина поради триенето в земната атмосфера. (Второто реално също не е фактор – на 260 км. загубата на височина заради триене е сравнително малка, а ATV разполага с много сериозен запас от гориво, с който може да я компенсира.)

Скачването към МКС е възможно единствено на двата й крайни възела – откъм американския и откъм руския край. След скачване кораб може да бъде преместен на някой страничен възел с помощта на механичната ръка на станцията; ударът при скачването, макар относителната скорост при скачване да е само 7 см/сек, обаче изисква то да е строго осево. ATV се скачва откъм руския модул “Звезда”: възелът му за скачване е руско производство (но може вместо това да бъде монтиран и американски).

Скачването на ATV към руския модул означава, че неговият скачващ възел ще бъде блокиран за времето, докато корабът е на него. Съществуват схеми, при които ATV ще бъде временно местен на страничен възел, или отделян от станцията, или дори откачван и дръпван на странична орбита, за да може станцията да се скачи с кораби “Союз” или “Прогрес”. Няма обаче официална информация да е взето решение за подобни действия. Съществува също така план ATV да бъде снабдяван с втори скачващ възел на другия си край, и корабите да могат да се скачват там, и космонавтите да минават през ATV; технически тази възможност е предвидена, но не зная дали ще бъде реализирана в някой от корабите.

Корабът се приближава към станцията изцяло автоматично. Приближаването е разделено на няколко етапа; преди всеки етап е нужно корабът да получи “одобрение” за него от Центъра за управление.

Отначало приближаването на кораба към станцията се управлява чрез високоточна GPS връзка. На около 250 метра разстояние тя се изключва, и се преминава към управление на сближаването чрез система, която е наречена условно “видеометър”. Лазери, разположени на кораба, излъчват импулсни (1 до 10 импулса/сек, в зависимост от разстоянието до МКС) лъчи, които се отразяват от отражатели, разположени на руския модул “Звезда”, с който ще се скачва ATV. Отраженията формират уникално изображение; видеометърът го анализира и определя къде спрямо станцията се намира корабът. Твърди се, че точността на позициониране е 1.5 см. Видеометрите се произвеждат от френската фирма Sodern, клон на EADS; всеки ATV разполага с два; по време на скачване и двата са активни, единият работи като основен, другият – като резервен.

Локализирането се подпомага и от допълнителна система, която използва телегониометри (също 2 – основен и резервен). Те работят с импулсен лазерен лъч (на различна честота от видеометъра; около 10 000 импулса/сек.), и по времето на връщане на импулса определят дистанцията до станцията. Ориентацията на кораба спрямо нея се определя чрез огледала на телегониометрите, които насочват лазерните лъчи.

Резервен вариант, за в случай че и двете двойно подсигурени системи за скачване откажат, е руската система “Курс”, която също е монтирана на ATV, и чрез която се скачват към станцията корабите “Союз” и “Прогрес”. Тя може да действа на разстояние до 3.5 км от станцията, и е базирана на радар. Най-сетне, скачването може да бъде контролирано и чрез образите, предавани от монтираните на МКС камери.

В модула “Звезда” има поставен панел, чрез който обитателите на станцията могат по време на скачване да прекъснат процеса, ако преценят, че има опасност за станцията. На панела има 2 копчета (твърди се, че са общо 4, но засега се използват само 2). Едното от тях прекъсва приближаването на кораба, и го спира “на изчакване” където той е в момента. Второто е “аварийно раздалечаване”, и би изпратило ATV да се махне моментално колкото се може по-далече от станцията; предполага се то да се използва, ако корабът изгуби управляемост, или внезапно стане опасен – например при индикации за предстоящ взрив на пропеланта. Системата, която извършва аварийното раздалечаване, се използва само за него, и е напълно независима от всичко друго на кораба, дори софтуерът й е разработен изцяло отделно; при активиране тя изключва всички останали системи, и действа самостоятелно.

Системата за скачване е руска, тип “стъбло-фуния”: метален конус, поставен на стъбло в центъра на капака на люка, влиза в метална фуния, на капака на отсрещния люк. Тя го хваща и закотвя. След това чрез винтов актуатор фунията притегля стъблото, и с него кораба, докато херметичните пръстени на люковете не опрат един в друг и не се притиснат здраво. Разработена е още за станцията “Салют”, и е усъвършенствана постепенно в течение на годините; смятана е за много изпитана и надеждна.

След изпитване на херметичността на образуваната преходна камера двата люка се отварят, и скачването се обявява за завършило. 🙂 Докато корабът е свързан със станцията, люкът стои постоянно отворен.

Планира се ATV да остане скачен със станцията в продължение на около 6 месеца. През това време обитателите й постепенно ще разтоварват кораба от докараните материали (не е необходимо веднага да разтоварят всичко и да задръстят станцията), и ще го запълват постепенно с използвани материали и отпадъци. (Капацитетът на ATV за отпадъци е около 6.5 тона.) Пропелантът за двигателите на модула “Звезда” ще бъде преточен в нейните резервоари чрез тръбни връзки, водата за пиене – също. Въздухът, докаран с ATV, се предвижда просто да бъде изпускан вътре в кораба чрез клапа, и оттам да преминава през люка в станцията. Най-сетне, вътрешността на кораба може да бъде използвана и като работно място – шкафовете му за “сух товар” са от точно същия стандарт, както и шкафовете за експериментална апаратура на модула “Колумбус”, и пространството в кораба е напълно достатъчно, за да могат двама души да работят спокойно.

Една от важните роли на ATV е компенсирането на загуба на орбитална височина на цялата станция (тя също има триене в атмосферата; на тази височина то е много слабо, но дори така станцията може да загуби до над 100 метра височина на денонощие). Периодично, когато бъде сметнато за нужно, двигателите на ATV ще се включват, и ще доускоряват станцията, подобно на космически влекач. Пак на него се разчита да извършва при нужда маневрите, необходими, за да избегне станцията сблъсък със случайни космически боклуци, попаднали в близост до орбитата й. Запасът от пропелант на ATV е достатъчен, за да върши тази работа в течение на шестте месеца, и да остане достатъчно за всички маневри.

(Този запас придава на ATV още една, печална роля. Някъде към 2020 г. полезният срок на съществуване на станцията ще е свършил – тя ще е остаряла, и ще е рисковано да се използва повече. Вероятно известни ремонти ще могат да го удължат, но всичко си има край… Когато той дойде, станцията трябва да бъде де-орбитирана – насочена да изгори в земната атмосфера над необитаем район в океана: със своите над 200 тона тя е твърде голяма, за да изгори в атмосферата изцяло, и би могла да подпали малък град, ако се стовари върху него… Към момента ATV е единственият космически кораб с достатъчно пропелант и мощност на двигателите, за да деорбитира подобна грамада.)

От някакво значение е и помощната роля на слънчевите панели на ATV за електрозахранването на станцията. Докато е скачен, той е в пасивен режим, и собствената му консумация е под 400 вата (когато е активен, е около 1 киловат), а мощността на панелите му достига 4.8 киловата, и дори след 6 месеца на орбита се очаква да не спадне под 3.8 киловата. Това изглежда твърде малко на фона на огромните панели на МКС, но винаги може да се случи ситуация, в която всеки ват да е от полза.

След разкачването на кораба той включва двигателите си, и поемна по стръмна спускаща се траектория. Навлиза в атмосферата и изгаря в нея над необитаем район на Тихия океан.

“Жул Верн”

Всеки от корабите е планирано да има свое собствено име. Първият е наречен на името на френския писател – надявам се дори някои от по-младите да знаят защо. 🙂

“Жул Верн”, като полу-изпитателен, изведе в орбита по-малко товар от пълните си възможности. Общият товар е 4.6 тона, от тях 1150 кг. “сух товар”, 856 кг. пропелант за “Звезда”, 270 кг. питейна вода и 21 кг. кислород. Останалата част е пропелант за кораба. По-малко е и времето, което ще прекара скачен за станцията – около 4 месеца.

След изстрелването му една от четирите горивно-двигателни системи (ще рече един от основните двигатели и 7 от управляващите) – Propulsion Configuration A – отказа. Системата й за управление откри значителна разлика между наляганията на горивото и окислителя, и се изключи (включитено управляващата електроника – това се прави, за в случай че повредата е в самата електроника: при този вариант не би било ясно как тя ще се държи за в бъдеще, ако остане включена). Първоначалните предположения бяха, че или при изстрелването има огънати или притиснати тръби, или че електронният модул не е наред; все още нямам точна информация каква е била причината; не зная дали и инженерите от центъра за управление са сигурни, но май е нещо в електрониката. На 11 са взети мерки електрониката на изключената система да бъде ре-интегрирана в общата (от ЕКА твърдят, че дори с една изключена двигателна система корабът е напълно способен да си свърши работата, но вероятно все пак са намерили причината, и са решили за пълен блясък да я отстранят). Една по една са изключени и четирите горивни системи; след повторното им включване всичко е функционирало нормално. По данни от управлението на полета, двете последващи ускорения до 303 км. височина са направени именно чрез отказалата двигателна система, и са минали отлично.

Преди скачването на кораба системата за избягване на сблъскването ще бъде протествана със съдействието на обитателите на МКС: един от тях ще подаде предварително уговорен сигнал за спиране на скачването. (Твърди се, че американците са го изискали като последна проба за безотказната работа на ATV. Като цяло европейците малко мърляво работим в сферата на космическата техника; няма да забравя как на американците се наложи да спасяват чрез “Касини” връзката с “Хюйгенс”, оплескана заради грешка на европейските инженери.)

Товарът на “Жул Верн” (както и повечето други данни за ATV и Ariane-5) се различава като описание доста не само в различните източници, но и в различни споменавания в един и същ източник. Ето най-често срещаните, и приблизително средни данни:

Общо товарът се очаква да е около 8.3 тона (плюс още 2.3 тона поддържащи структури). Разбивката му е както следва:

– 5.8 тона пропелант за ATV – по мои впечатления, повече от предвижданото типично количество, може би заради многото изпитания и маневри на първия кораб.
– 860 кг. пропелант за “Звезда”. (Двата пропеланта са твърде сродни: окислителят е еднакъв, двуазотен четириокис, но горивото е различно: асиметричен диметилхидразин за “Звезда”, и монометилхидразин за ATV.)
– 270 кг. вода за пиене
– 21 кг. кислород
– 1300 кг. сух товар: 500 кг. храна, 136 кг. резервни части за “Колумбус”, 80 кг. дрехи, и най-различни други неща.

Един любопитен детайл е, че на борда на “Жул Верн” има екземпляр от първото издание с твърди корици на “От Земята до Луната”. 🙂 Екземплярът ще бъде взет на МКС, и после върнат на Земята. Един чудесен, и напълно заслужен жест към паметта на писателя.

И мечтателя. Защото без такива като него надали щяхме да имаме МКС, ATV и какво ли не още. Техническата възможност да ги построим може би щяхме да имаме (а вероятно и нея не). Но надали щяхме да го мечтаем – а човечеството върви натам, където осветява факелът на мечтите му.